50052

ЯВЛЕНИЕ САМОИНДУКЦИИ

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: ознакомиться с явлением самоиндукции; изучить зависимость постоянной времени электрической цепи состоящей из катушки индуктивности и омического сопротивления от величины сопротивления; определить величины индуктивности катушки и магнитной проницаемости сердечника соленоида. Найдём функциональную зависимость силы тока от времени. 12 Величину t=L R называют постоянной времени цепи которая равняется времени за которое при разрядке...

Русский

2014-01-15

99 KB

22 чел.

Лабораторная работа № 5.30*

ЯВЛЕНИЕ САМОИНДУКЦИИ

Цель работы:  ознакомиться с явлением самоиндукции; изучить зависимость постоянной времени электрической цепи, состоящей из катушки индуктивности и омического сопротивления, от величины сопротивления; определить величины индуктивности катушки и магнитной проницаемости сердечника соленоида.

Приборы и принадлежности: генератор прямоугольных импульсов ГН-1, лабораторный стенд, электронный осциллограф «PicoScope 2203».

Краткие теоретические сведения

Явление самоиндукции заключается в возникновении ЭДС индукции в электрической цепи, обладающей индуктивностью, при изменении в ней электрического тока.

Электрический ток, протекая по проводникам, создаёт в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитный поток этого поля, сцеплённый с контуром проводника Y (потокосцепление самоиндукции), вычисляется по формуле

                                                      ,                                               (1)

где N – число витков соленоида. Интегрирование  в (1) ведётся по сечению соленоида.

При слабых магнитных полях и неизменных параметрах контура, как правило, потокосцепление пропорционально силе тока:

Y=LI.  (2)

Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура. Индуктивность характеризует способность проводящего контура создавать потокосцепление собственного магнитного поля с контуром проводника. Она численно равна потокосцеплению при силе тока, равной единице:

L=Y/ I.  (3)

Индуктивность измеряется в генри: 1Гн=Вб/А. Индуктивность - скалярная величина, не зависящая от протекающего по контуру тока (в отсутствии ферромагнитных сред).

Согласно закону электромагнитной индукции, возникающая в цепи ЭДС самоиндукции, равна скорости изменения потокосцепления самоиндукции:

es = - dY/dt. (4)

Если L - величина постоянная, то из (2) получаем

 ei = - L dI/dt.  (5)

Знак минус отражает тот факт, что в проводящем контуре ЭДС самоиндукции всегда препятствует изменению электрического тока, т.е. стремится поддерживать силу тока неизменной. Самоиндукция в электромагнетизме играет ту же роль, что и инерция в механике.

Используя выражения (1) и (3), можно получить формулу для индуктивности соленоида, выбрав поверхность интегрирования, перпендикулярную осевой линии соленоида.

                                                     L=m0 mN2S/l                                                   (6)

где m0=4p10-7Гн/м – магнитная постоянная, m - магнитная проницаемость сердечника соленоида, N - общее число витков, S - площадь поперечного сечения, l- длина соленоида.

Рассмотрим переходные процессы в индуктивно-резистивной цепи, которая состоит из омического сопротивления R, индуктивности L и источника ЭДС (рис.1).

По закону Ома для замкнутой цепи сила тока:

                                                       I=(e+es)/R.                                                           (7)

Учитывая  выражение (5), получим дифференциальное уравнение первого порядка

                                            I R=e - LdI/dt.                                                        (8)

Для  решения  уравнения (8) введём начальные условия: пусть при t=0, e=0 и I=0; при t>0, e=const и I=I(t). Найдём функциональную зависимость силы тока от времени. Для этого в (8) разделим переменные и проинтегрируем обе части уравнения, расставив пределы интегрирования с учётом начальных условий.

                                                              (9)

После интегрирования

I=(e/R)[1 - exp(-Rt/L)].    (10)

Согласно (10) и закону Ома для участка цепи, напряжение на активном сопротивлении                 R U=IR=e[1-exp(-Rt/L)],                                          (11)

а на индуктивности L

                                       es=- e exp(-Rt/L)=-e exp(-t/t).                                    (12)

Величину t=L/R называют постоянной времени цепи, которая равняется времени, за которое при разрядке величина напряжения на резисторе достигает значения U=0,63 Umax, а при разрядке напряжение на резисторе уменьшается в е раз. Графики зависимости U и es от времени показаны на рис. 2 и 3.

Поскольку реальные источники e обладают внутренним сопротивлением r, то постоянная времени

   t=L/(R+r) или 1/t=R/L+r/L.       (13)

Как видно из выражения (13), зависимость 1/t от R является линейной.

Порядок выполнения работы

Для определения постоянной времени t соберите электрическую цепь, состоящую из генератора прямоугольных импульсов ГН-1, омического сопротивления R, индуктивности L и осциллографа.

1. Соберите схему, представленную на рис. 4. С помощью  переменного резистора на блоке сопротивлений установить R=100 Ом.

2. Запустите программу «PicoScope», включите цифровой осциллограф.

3. На экране осциллографа получится график зависимости U=f(τ).

4.Установите автоматический диапазон входного сигнала осциллографа (меню ).

5. На панели настройки канала установите режим АС.

6. Нажмите клавишу автоматической установки ,  на панели захвата изображения,  получите оптимальное изображение графика на экране осциллографа.

7. Установите растяжку осциллограммы по горизонтали  (меню ) равное 16 и коэффициент развертки (меню ) равное 2ms/div  (панель настройки канала). Изменяя сопротивление пронаблюдайте на экране зависимость постоянной времени от величины сопротивления R.

8. Определите постоянную времени цепи  τ изменяя сопротивление в пределах от 100 до 500 Ом с шагом 100 Ом. Для определения постоянной времени τ необходимо по графику переходного процесса, измерить значение времени, с учетом знака, в начале графика (t1) и в точке, где U=0,63 Umax (t2). Для измерения t1(t2) подведите курсор и удерживайте левую кнопку мыши в требуемых точках. Полученные значения высвечиваются на экране. Рассчитайте, как τ = t2t1, результаты измерений занесите в табл. 1 Перед измерением времени остановите обработку данных осциллографом, нажав на панели  Запуска/Остановки клавишу .

9. Для получения  следующих графиков повторно нажать на панели  Запуска/Остановки клавишу .

Таблица 1

R, Ом

10-6, c

(1/t)×106, c-1

100

200

10. Рассчитайте величины 1/t для каждого значения R.

11. Постройте график зависимости 1/t = f (R) и убедитесь, что зависимость является линейной.

12. Рассчитайте величину индуктивности L по графику зависимости 1/t=f(R), где L является величиной, обратной тангенсу угла наклона прямой ,

13. Определите магнитную проницаемость сердечника соленоида, используя формулу (6), при заданных параметров соленоида: S=0.64 см2,  l=10 мм, N=30.

Контрольные вопросы

1. Явление самоиндукции.

2. Потокосцепление при явлении самоиндукции.

3. ЭДС самоиндукции. Индуктивность.

4. Графики зависимости напряжения на резисторе и ЭДС самоиндукции от времени.

5. Постоянная времени цепи t и ее зависимость от параметров контура.

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

48371. Основные требования к применяемым комплексам конструкторско-технологической подготовки производства 12.93 KB
  Основные требования к применяемым комплексам конструкторско-технологической подготовки производства Системы комплекса должны быть взаимосвязаны что позволяет постепенно наращивать количество рабочих мест и объединять их в единый комплекс. Минимальную стоимость комплекса и обеспечение всех необходимых предприятию функции. Внедряемый комплекс САПР должен удовлетворять следующим критериям: Соответствие функциональных возможностей этапам основного и вспомогательного производства на конкретном предприятии Возможность безбумажного обмена...
48373. Подготовка конструкторской документации с использованием трехмерных моделей деталей 12.58 KB
  После построения 3Dмодели детали или сборки либо непосредственно в ходе построения конструктор может получить ее чертеж избежав таким образом рутинного создания видов средствами плоского черчения. Плоский чертеж будет создан автоматически и с абсолютной точностью независимо от сложности модели. В Компас3D объемные модели и плоские чертежи ассоциативны между собой. Компас3D располагает мощными средствами редактирования модели которые позволяют задавать параметрические связи и ассоциации как между отдельными элементами деталей так и...
48374. Подготовка конструкторской документации с использованием трехмерных моделей сборок 12.6 KB
  После построения 3Dмодели детали или сборки либо непосредственно в ходе построения конструктор может получить ее чертеж избежав таким образом рутинного создания видов средствами плоского черчения. Плоский чертеж будет создан автоматически и с абсолютной точностью независимо от сложности модели. В Компас3DV объемные модели и плоские чертежи ассоциативны между собой. Компас3D располагает мощными средствами редактирования модели которые позволяют задавать параметрические связи и ассоциации как между отдельными элементами деталей так...
48375. Требования к системам автоматизированной подготовки конструкторской документации 11.32 KB
  Требования к системам автоматизированной подготовки конструкторской документации Требования: наличие средств импорта экспорта графических документов позволяющих поддерживать обмен данными с другими системами: 1 чтение и запись графических файлов плоских dxf. 2 чтение и запись фалов трехмерных моделей iges. 3 чтение и запись текстовых документов scci. 4 запись данных спецификаций dbf.
48376. Модули библиотек как средства автоматизации конструкторского проектирования. Работа с библиотеками 29 KB
  Основная задача информационного обеспечения САПР - удовлетворение информационных потребностей проектировщика и отдельных компонентов САПР. Вопросы повышения достоверности результатов проектирования и скорости их получения напрямую связаны с организацией данных информационного фонда САПР.
48377. Конституционные основы государства 16.14 KB
  Основы конституционного строя закрепляют форму государственной власти в стране. Российская Федерация отмечается в статье 1 Конституции есть демократическое федеративное правовое государство с республиканской формой правления Россия демократическое государство Носителем суверенитета и единственным источником власти в ней является многонациональный народ. Он осуществляет свою власть непосредственно путем референдумов и свободных выборова также через органы государственной власти и местного самоуправления. Эти исходные положения...
48378. Драгоценные камни: свойства и обработка. Учебное пособие 1.86 MB
  В учебном пособии рассматриваются свойства ювелирных и ювелирно-поделочных камней и способы их обработки. Пособие предназначено в помощь студентам специальностей 261001 Технология художественной обработки материалов и 071504 Художественное проектирование ювелирных изделий бакалаврам и магистрам по направлениям подготовки Технология художественной обработки материалов Декоративноприкладное искусство и народные промыслы художественный металл Искусство костюма и текстиля проектирование ювелирных изделий...
48379. Конспект воспитательного мероприятия в форме праздника «Масленица» 3.04 MB
  Ребята а что такое масленица Масленица народный праздничный цикл сохранившийся на Руси с языческих времён. Масленица получила свое название оттого что в этот период времени последнюю неделю перед Великим постом разрешается употребление в пищу сливочного масла молочных продуктов и рыбы.